Умный Дом своими руками часть II  или 15-ти канальный управляемый диммер.

Привожу описание разработанного по просьбам писавшего мне трудового народа 15-ти канального программируемого диммера «Sokol SHC-15» как оно есть... По мере добавления новых функций в устройство будет обновляться и его описание здесь.      

Краткие технические характеристики модуля Sokol SHC-15: 

- 15 каналов управления с функцией диммирования (регулировки яркости ламп накаливания);

- 50 шагов плавной регулировки яркости ламп накаливания в пределах от 8% (спираль еле светится) до 98%;

- управление каналами от стандартных настенных квартирных выключателей без фиксации положения;

- управление всеми функциям устройства и настройка параметров при помощи программы «Sokol SHC-15 Terminal»;

- возможность подключения выключателей освещения по одной двухпроводной линии, в том числе и по существующей квартирной электропроводке;

- управление каналами при помощи пульта дистанционного управления системы RC-5;

- режим обучения командам ПДУ;

- плавное нарастание яркости ламп при включении (функцию можно отключить через программу настройки) для каждого канала управления;

- плавное снижение яркости ламп при выключении (функцию можно отключить через программу настройки) для каждого канала управления;

- индивидуальная настройка минимальной и максимальной яркости для каждого канала управления;

- возможность включения / отключения функции регулировки яркости для каждого канала управления;

- триггерный (лампа включается и выключается при каждом повторном нажатии на кнопки управления каналом) или импульсный режим работы (лампа включается на установленное время и гаснет автоматически) каналов;

- установка времени активности канала в импульсном режиме в пределах от 0,1 до 9999,9 секунд с шагом 0,1 сек.;

- возможность использования стандартных выключателей освещения, смонтированных в доме (квартире) для управления освещением;

- наличие настраиваемых команд «включить всё» и «выключить всё» на ПДУ и клавиатуре;

- возможность выбора (настройки) каналов, реагирующих на команды «включить всё и выключить всё»;

- настраиваемый таймер автоматического отключения при отсутствии команд управления;

- время автоматического отключения каналов от 1сек. до 23ч.59мин.59сек. с шагом 1 сек.;

- полная гальваническая развязка каналов как друг от друга, так и от низковольтной части схемы;

- низкая цена устройства при самостоятельной сборке основного модуля;

- восстановление состояния каналов при пропадании и возобновлении подачи электроэнергии (питания модуля);

- запоминание и восстановление при включении канала последней установленной яркости;

- настраиваемые разнотональные звуковые сигналы модуля;

- защита от зависания микропрограммы;

- настраиваемая "чувствительность" функции "антидребезга контактов" клавиатуры ручного управления;

- практически неограниченный ток нагрузки канала, определяемый лишь мощностью применённого симистора.

Итак, для повторения этого устройства прежде всего нам необходимо ознакомиться с принципиальной электрической схемой модуля, а так же схемой его подключения...

Мельком взглянув на загадочные хитросплетения линий и узлов, радиолюбитель даже с небольшим опытом поймёт, что основной частью устройства является микроконтроллер AT Mega 8A фирмы Atmel, хорошо зарекомендовавший себя в 15-ти канальной системе инфракрасного дистанционного управления.

Тот кто поопытнее, взглянув на оба варианта схемы подключения кнопок (выключателей) управления, сразу поймёт, что декодирование номера нажатой клавиши и команды осуществляется по уровню напряжения, поступающего на вход АЦП микроконтроллера. Для снижения наводок на соединительные провода кнопок управления измерение напряжения производится близко к моменту перехода сетевого напряжения через ноль.

Для импульсно-фазовой регулировки яркости лампы накаливания необходимо точно определить всё тот же момент перехода сетевого напряжения через ноль. Для этого используется узел на транзисторе VT2, с коллектора которого напряжение подаётся на вход внешнего прерывания микроконтроллера. Для надёжного отпирания оптотиристоров микроконтроллер генерирует на портах пачки импульсов. Длительность каждого импульса 15 мкс., хотя тиристоры нормально отпираются уже при длительности импульса 8-12 мкс.

Параллельно соединённые микросхемы DA1...DA3 на схеме подключения - это фотоприёмники команд дистанционного управления TFMS5360 или аналогичные, установленные по одному в каждом помещении, из которого необходимо управлять девайсом... Фотоприёмники следует устанавливать в корпусе совместно с фильтрующими конденсаторами. Поскольку существует превеликое множество моделей и производителей микросхем-фотодатчиков, отличающихся друг от друга не только параметрами, но и расположением, на схеме подключения модуля приведена в качестве бонуса цоколёвка наиболее распространённых из них. Однако перед тем, как приобрести тот или иной ФП убедитесь, что он рассчитан на частоту 36кГц. И даташит Вам в руки...

Взглянув всё туда же легко заметить, что при подключении устройства использованы все три фазы электросети. Конечно это не необходимость. Просто изображая их я хотел подчеркнуть возможность установки и использования устройства для управления освещением и электроприборами в трёхфазной сети. На счёт того, что к модулю подключены лишь три лампы и одна розетка скажу: ну в лом мне одно и то же несколько раз перерисовывать... выходов то 15 - вот и используйте их по своему усмотрению... а как для этого настраивать модуль написано внизу статьи...

Тип симисторов нарочно не указываю. Смотрите справочники... Могу сказать лишь что пойдёт практически любой из серий BT136, BT142. Следует лишь по справочнику убедиться, что номинальный рабочий ток в 2-3 раза выше максимального тока нагрузки, а рабочее напряжение от 600 В. и выше... И не забудьте о радиаторе охлаждения, в случае если мощность нагрузки превышает 100 Вт. Для защиты тиристора от бросков высокого напряжения, в случае коммутации индуктивной нагрузки (например трансформатора или электродвигателя) желательно применить RC-цепочку (Ц2 на схеме подключения).

Драйвер RS-232 порта (драйвер COM-порта), микросхему DD2, на плату можно не устанавливать, особенно если нет необходимости управления устройством от компьютера или предполагается использовать готовый переходник USB-USART (например DATA-кабель от мобильного телефона). В последнем случае на плате предусмотрены перемычки, «закорачивающие» DD2 и напрямую подсоединяющие выводы rx и tx микропроцессора к выходному разъёму последовательного порта XS20.

Для уменьшения высоты печатной платы все высокие элементы, начиная от кварцевого резонатора и заканчивая электролитическими конденсаторами, «уложены» горизонтально. Размер печатной платы в этом случае составил 85 х 82 мм., при высоте не более 20 мм.

Чуть не забыл самое главное: В связи с нехваткой выводов портов микроконтроллера в схеме 15-ти канальной системы ДУ может использоваться только AT Mega 8A в корпусе TQFP-32 для поверхностного монтажа (например ATmega8A-AU). Под него, собственно, и рассчитана печатная плата. Из плюсов использования AT Mega 8A в корпусе TQFP-32 можно отметить что плата получается размерами почти в два раза меньше, а стоимость самого микроконтроллера в полтора раза ниже. Однако возможно использование микроконтроллера и в корпусе DIP (PDIP-28). В этом случае количество физических каналов будет ограничено числом 14. Кроме того, Вам придётся самостоятельно разрабатывать печатную плату устройства и использовать специальную прошивку с 14-канальной версией ПО. В случае использования микроконтроллера в корпусе DIP, (например ATmega8A-PU) следует учесть и несколько иную схему подключения выводов микроконтроллера. Кроме иной нумерации выводов, которую можно посмотреть в даташите на микроконтроллер ATmega8A следует учесть, что клавиатура и резистор R22 подключаются к выводу PC5 (ADC5) микроконтроллера в корпусе DIP, а не к выводу ADC6, как в корпусе TQFP на схеме. В этом случае физический канал №15 "отваливается" от контроллера, так как вывод оказывается уже занятым. Однако логически он остаётся доступным и виден в программе управления. Не спрашивайте почему я так сделал. И так отвечу: в лом было переделывать программу для ПК. Здесь резонно напрашивается вопрос: "А что будет если 15-канальную версию прошивки "залить" в микросхему в корпусе DIP?" Ответ: "Будет 15-канальная версия без ручного управления (клавиатур подключить некуда!)."

Теперь по схеме: На первый взгляд, с сетевым трансформатором и другими элементами схемы питания всё довольно стандартно и просто. Однако здесь есть свои подводные камни:

1. Конденсаторы С1 и С4 должны быть ёмкостью не менее 2200мкф. и 1000 мкф., соответственно, так как оптопары HL1...HL15 потребляют довольно внушительный импульсный ток (до 100 мА. в сумме);

2. Обязательной является установка блокирующих керамических конденсаторов там, где они изображены на схеме;

3. Обязательна установка дросселя L1 в цепи питания АЦП микроконтроллера;

4. Стабилизатор напряжения только 1,5-Амперный 78L05;

5. Трансформатор питания мощностью не менее 2 Вт. и выходным напряжением как можно ближе к 9-ти Вольтам (с трансформатором на другое напряжение вторичной обмотки потребуется подбор резисторов R1, R2 для обеспечения необходимой минимальной яркости свечения лампы)... 

При подключении модуля для централизованного управления освещением дома, роллетами, гаражными воротами, розетками и др. следует предпринять ряд мер для повышения помехоустойчивости:

1. Обязательно использовать П-образный сетевой фильтр в цепи питания модуля по переменному току (перед трансформатором питания, см. схему подключения);

2. Крайне желательно наличие Г-образного фильтра (см. там же Ф1) перед силовой частью схемы управления нагрузками (тиристорами);

3. Желательно заземление общего провода модуля управления отдельным проводником сечением не менее 1,5 мм. кв.;

4. Для подключения выключателей и фотоприёмников рекомендуется использовать витую пару категории 5 (лучше в экране) или экранированный кабель;

5. Параллельно каждому фотоприёмнику устанавливать керамический и электролитический конденсатор (см. там же);

6. Не прокладывать неэкранированные слаботочные цепи в непосредственной близости от силовых.

В прочем, всё это типовые рекомендации подключения для подобных устройств. Несколько экземпляров модуля хорошо работают и управляют освещением без фильтров, экранированных проводов и заземления с апреля 2011 года.

Перечень элементов для изготовления базового блока устройства в формате pdf можно посмотреть по этой сылке.

Таблицу для расчета резисторов делителя клавиатуры можно скачать по ссылке внизу статьи.

Рисунок печатной платы в формате *.lay (SL5.0) так же прилагается. 

Для управления нагрузками при помощи персонального компьютера и изменении настроек модуля предназначена программа «Sokol SHC-15 Terminal». Скрин главного окна программы приведен ниже.

 Как видно на рисунке, для управления каналами предназначены ползунки регуляторы и «галочки». При установке или снятии «галочки», соответствующий канал модуля включает или отключает нагрузку. Программа управления имеет 100% обратную связь с модулем управления, поэтому если состояние канала изменится, то и «галочка», и регулятор в окне управления изменят своё состояние...

Плавно перемещая ползунок, можно легко изменить значение яркости от минимального до максимального значения (если регулировка яркости для данного канала разрешена в настройках этого канала, настройки см. ниже). При изменении яркости канала при помощи пульта дистанционного управления или выключателей освещения, все изменения автоматически отображаются и на состоянии ползунка-регулятора. При попытке сдвинуть регулятор, при включенном ограничении яркости, он тут же вернется в допустимые пределы. При плавном нарастании и снижении яркости, текущее значение яркости будет отображаться на ползунке регулятора и он будет "бегать", отображая снижение или рост выходного напряжения каналов.

Кнопки «Включить всё» и «Выключить всё» четко выполняют возложенные на них функции. Однако, отреагируют на нажатие этих кнопок лишь те каналы, которым разрешено «отзываться» на данное действие (настройку каналов см. ниже).

Общая яркость каналов так же в разъяснениях не нуждается. Здесь и так понятно, что при перемещении ползунка яркость всех каналов, которым в настройках разрешено изменять яркость, станет равна установленной.

При изменении настроек яркости и состояния каналов (вкл./откл.), все изменения будут автоматически сохранены в энергонезависимой памяти микроконтроллера. Для экономии ресурса последней, сохранение настроек производится лишь по истечении 10 секунд после окончания всех регулировок и только для каналов работающих в триггерном режиме.

С кнопкой «О программе» ясно, что там лицензионное соглашение и немного обо мне…  

Для подключения устройства к компьютеру необходимо наличие COM или USB порта. В последнем случае потребуется USB-COM конвертер. Если устройство подключено, верно выбран нужный номер COM-порта и адрес модуля, то установка «галочки» в поле «Подключение к устройству» не вызовет никакой ошибки, а ползунки регуляторов яркости каналов спустя секунду займут реальное положение... При отсутствии в компьютере виртуальных или реальных портов в поле «выбор COM-порта» будет выведено сообщение «Нет портов!», а подключение к устройству станет невозможно.

Поле «Выбор адреса устройства» предназначено для работы сразу нескольких параллельно соединённых устройств на одном COM порту компьютера, если такая необходимость возникнет. Если несколько модулей соединено параллельно по одной линии, то достаточно выбрать «Широковещание» в поле адреса. Этот же трюк можно провернуть и для групповых команд «Включить всё / Выключить всё» при параллельном соединении модулей. В этом случае, на команду отреагируют все подключенные к текущему порту блоки. Для исключения конфликтных ситуаций с подобными фокусами нужно быть осторожным. Проще запустить несколько экземпляров программы и использовать различные порты компьютера. Однако, если необходимо действительно выполнить соединение модулей в параллель, то желательно позаботиться об оптронной развязке линий или применить конвертеры интерфейсов RS232/RS485 или аналогичные. Программы микроконтроллера и компьютера работают в полудуплексном режиме, что позволяет с лёгкостью реализовать аппаратный интерфейс RS485. Изменить адрес модуля можно в поле «Основные настройки».

Для настроек устройства предназначено второе окно программы управления, вызываемое по нажатию кнопки «Настройки…» в основном окне. Однако нажатие на эту кнопку, равно как и любые манипуляции с ползунками регуляторами будут возможны лишь после подключения к устройству.

Окно настроек содержит несколько вкладок, в каждой из которых содержится ряд настроек модуля. Вкладки с «Канал 1» по «Канал 15» предназначены для настроек соответствующих каналов.

Каждая из данных вкладок содержит настройки яркости и времени активности канала. Для разрешения регулировки яркости канала необходимо установить соответствующую «галочку». Для включения плавного нарастания или снижения яркости, нужно активировать соответствующую опцию. В полях максимальная и минимальная яркость всё говорит само за себя... Однако, для защиты «от дурака» и здесь есть своя «фишка». Если установить минимальное значение яркости равное максимальному или больше максимального, то регулировка яркости становится невозможной (равносильно запрету регулировки яркости), а лампа будет включаться с минимальной установленной яркостью.

Значение в поле времени активности канала может быть в пределах от 0 до 99 999. При этом следует учесть, что одна введённая в поле единица соответствует 0,1 секунде реального времени. Таким образом, время активности канала может быть установлено в пределах от 0 до 9 999,9 секунд (от 0 до 2-х часов 46 минут 39,9 секунд). Если в поле введено значение «0», то данный канал работает в триггерном режиме. Если же введённое значение отлично от нуля, то при подаче команды канал включится с заданной яркостью на время равное введённом значению, делённому на 10.

Эту фишку рекомендуется использовать совместно с плавным снижением яркости при освещении подъездов и лестничных клеток, а при малых значениях времени активности и запрете регулировки яркости - для управления въездными электрифицированными воротами и роллетами…

Далее, думаю, целесообразно привести подробное описание реакции модуля на кнопки управления в различных режимах работы: 

1.В триггерном режиме кратковременное нажатие на кнопку управления приведёт к включению или отключению канала, а длительное, при установленном «флажке» «регулировка яркости» в настройках канала, к изменению уровня яркости. При достижении яркостью минимального или максимального значения и установленном «флажке» «смена направления» в настройках канала, произойдёт смена направления изменения яркости. В любом случае при кратковременном отпускании кнопки, во время регулировки, и повторном длительном нажатии, направление будет изменяться на противоположное. Т.е. если яркость изменяется не в ту сторону - кратковременно отпускаем и снова нажимаем на кнопку.

2. В импульсном режиме работы кратковременное нажатие на кнопку управления, кнопку ПДУ или установка «галочки» на компьютере приведёт к включению канала, с заданной до момента активации импульсного режима работы, яркостью.

Кнопки «Прочитать настройки» и «Записать настройки» служат, соответственно, для чтения текущих настроек канала и записи в модуль внесённых изменений.

Вкладка «Основные настройки» позволяет настраивать глобальные параметры работы модуля:

- Время автоматического отключения;

- Адрес модуля;

- Реакцию каналов на команды «Включить всё» и «Выключить всё»;

- Настройки звуковых сигналов, подаваемых модулем;

- Антидребезг клавиатуры ручного управления;

- Выполнить общий сброс настроек устройства… 

Теперь обо всём по очереди:

1.Время автоматического отключения каналов – это время по истечении которого, в случае отсутствия команд управления, будет подана внутренняя команда, эквивалентная команде «Выключить всё». При этом отключаться все выходы, отключение которых разрешено по команде «Выключить всё» (см. ниже). Время отключения может быть от 1сек. до 17ч. 59мин. 59сек. При вводе во все графы нулей, т.е. 0 час. 0 мин. 0 сек. таймер автоматического отключения задействован не будет и каналы, следовательно, отключаться не будут.

2. Адрес модуля – логический адрес модуля управления для идентификации. Используется при параллельном подключении нескольких устройств к одному COM-порту компьютера.

3. Графы настройки реакции каналов на команды «Включить всё» и «Выключить всё» позволяют выбрать номера каналов, которые будут реагировать на данные команды. Данную функцию полезно использовать уходя из дома… Просто нажимаете на кнопку в прихожей и весь свет в доме гаснет, роллеты закрываются, а розетки и включенные в них холодильники работают…

4.  Настройка звуковых сигналов, подаваемых модулем, позволяет выбрать те команды, в ответ на которые будет «мычать» бипер модуля…

5. В разделе "Клавиатура" задаётся количество опросов кнопок ручного управления (продолжительностью по 10 мс.) после которых будет считаться что кнопка кратковременно нажата. Длительность продолжительного нажатия должна быть, как минимум, в два раза больше. Изменяя установленное значение в пределах от 1 до 100 можно изменять и "чувствительность" клавиатуры к кратковременным нажатиям на кнопки управления в пределах 0,1...1,0 сек. По умолчанию установлено значение равное 20, что соответствует времени опроса равному 0,2 секунды.

6. Выполнить общий сброс настроек устройства обязательно необходимо при изготовлении и первом включении нового устройства. В этом случае в память модуля будут записаны настройки по умолчанию: все «фичи» и «навороты» включены, установлен триггерный режим работы всех каналов… Процедура сброса настроек преднамеренно усложнена для защиты «от дурака»: кнопка сброса остаётся неактивной до тех пор, пока не будет установлена «галочка» в поле «Разблокировать». В случае успешности операции сброса и преинициализации модуля новыми параметрами настройки, будет выведено соответствующее сообщение, ну а если не выйдет, то другое…

Кнопки «Прочитать настройки» и «Записать настройки» уже описывались ранее... 

Вкладка «Настройки дистанционного управления» позволяет настроить это самое дистанционное управление, т.е. реакцию на кнопки пульта ДУ…

  Поле настроек состоит из двух блоков: «Команды прямого управления выходами» и «Дополнительные команды дистанционного управления». Здесь всё просто: хотим посмотреть и изменить адреса или назначение кнопок пульта ДУ – читаем настройки, изменяем и записываем в модуль уже модифицированные…

Теперь о «самых больших кнопках». Они находятся внизу панели «Настройка устройства» под вкладками настроек. Эти четыре загадочных прямоугольника делают то, что на них, собственно, и написано: Читают и записывают сразу ВСЕ (!) настройки модуля и сохраняют или загружают эти настройки в программу управления из файла настроек с расширением «*.shcm». Строка состояния под кнопками показывает прогресс выполнения этих операций. Поскольку настроек много, а, следовательно, данные операции требуют передачи довольно внушительного объёма информации между модулем и компьютером, процесс длится несколько секунд. Прежде чем жать красную кнопку «Записать все настройки модуля» убедитесь, что на всех вкладках сделаны именно те настройки, которые вам необходимы. А то придётся перенастраивать…

Продолжение